(57)【要約】【課題】  光多重通信システムでは、波長分散により伝送中の信号波形に歪みが生じ、伝送距離に制限が生じるという問題点がある。また光多重通信では、伝送後の受信側の信号レベルが、合・分波器や分散補償素子の挿入損失により減衰する。【解決手段】  分散補償素子としてフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を用いることで、挿入損失を小さく抑えることができ、伝送距離を伸ばすことが可能となる。また素子長を短くすることが可能なため、小型化、他デバイスとの集積化が可能となる。合・分波器としても、フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いることにより挿入損失を小さく抑え、伝送距離を伸ばすことが可能となる。本光多重通信方式により、分散補償素子及び合・分波器の挿入損失を抑え、通信システムの伝送距離を延長することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数の信号光を送信可能な送信器と、
上記送信器からの複数の信号光を多重する合波器と、
上記合波器で多重された信号光を伝送する光ファイバと、
上記光ファイバを介して伝送されてきた上記多重された信号光の波長分散を補償する分散補償素子と、
上記多重された信号光を波長の異なる複数の信号光に分ける分波器と、
上記波長の異なる複数の信号光をそれぞれ受信する複数の受信器を備えた多重通信システムであって、
上記合波器と上記分波器にフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を、上記分散補償素子にフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を用いることを特徴とする多重通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の多重通信システムであって、
上記合波器および上記分波器に用いる上記フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）のコア部分が、上記光ファイバと同程度のコア径をもつ石英ガラスであることを特徴とする多重通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の多重通信システムであって、
上記分波器に用いる上記フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）のコア部分が石英ガラスであり、
さらに上記フォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を用いた上記分散補償素子と上記フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いた上記分波器が集積化されていることを特徴とする多重通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載の多重通信システムにおいて、
上記分散素子に代えて、
光ファイバを介して伝送された上記多重された信号光を
上記分波器により分波した、波長の異なる複数の信号光を、該波長ごとに分散補償する分散補償素子を備えることを特徴とする多重通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速光通信方式に関し、分散補償素子と合・分波器にフォトニック結晶ファイバを用いることを特徴とする光多重通信方式及び装置に関する。詳しくは、送信側の合波器と、受信側の分散補償素子と分波器としてフォトニック結晶ファイバを設置し、光デバイスの挿入損失を抑えることで伝送距離の延長を実現する。またその際、合・分波器に用いるフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）は、コアを空孔ではなく石英ガラスとする。
【背景技術】
【０００２】
データ容量の増大に伴って、ネットワークの高速化・大容量化が進み、大容量で柔軟なネットワークを構築できる波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システムに関する研究が盛んに行われている。
【０００３】
大量の情報を伝送可能なＷＤＭ伝送システムにおいて、伝送線路として用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）は、伝送帯域である１．５５μｍ帯で１５〜２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散値をもつ。この分散により、光信号の波長の違いによって光信号の進む速度がわずかに異なるため、受信側の光信号の伝送波形が広がる。波長分散が１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍというのは光の波長幅が１ｎｍあるとき、１ｋｍ伝送すると伝送波形が１ｐｓ拡がるということである。この波長分散の影響により、伝送特性の劣化が問題となる。このため、特に長距離伝送を実現するには波長分散を補償する必要がある。光ファイバの伝送帯域を制限する波長分散には(１)石英ガラスの材料そのものに依存する材料分散、(２)光ファイバの構造に依存する構造分散の二つがある。光ファイバの材料は石英ガラスであり、材料分散の値を大きく変えることは難しいため、構造分散の値を大きく変化させて負の分散値をもたせることで、伝送線路中の分散値の補償を行う。
【０００４】
例えば、コア径を小さく（１〜２μｍ）して非線形性を大きく設定した分散補償ファイバ（ＤＣＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｆｉｂｅｒ）により、コアとクラッドの屈折率の差を５％程度と大きく設定して構造分散を変化させる（例えば、非特許文献１参照）。これによりＤＣＦに負の分散値を持たせることで伝送中の正分散を補償する手法が用いられている。
【０００５】
また、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）デバイスを用いた分散補償法も行われている（例えば、非特許文献２参照）。ＦＢＧでは、光の波長によりグレーティング内で反射される位置が異なるために、入射光が反射して再び入射端に戻ってくるまでの時間が波長により異なる。そのため，グレーティングのチャープ率やグレーティング長を適切に設定することにより所望の分散値を得ることができる。これにより負の分散値を持たせることで、伝送路中の正の分散値を補償する手法が用いられている。しかし伝送帯域が狭い（数ｎｍ〜最大で１０ｎｍ）ために広帯域の多重伝送システムには適していない。
【０００６】
またＷＤＭ伝送システムにおいて、光信号を合・分波する素子としては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）フィルタが用いられている（例えば、特許文献１参照）。シリコン基板表面に石英光導波路を形成した回折格子であり、導波路の長さを少しずつ変えることにより、波長の合・分波を行っている。
【０００７】
従来の構成では、分散補償素子と合・分波器の挿入損失が大きいため、長距離伝送後の信号レベルが減衰する。また伝送線路をＳＭＦとして１００ｋｍの伝送を行う場合、分散値は１５００〜２０００ｐｓとなる。ＤＣＦは１．５５μｍ帯の分散値が−１００〜−１５０ｐｓ程度なため、分散補償素子ＤＣＦの素子長が１０〜２０ｋｍ程度必要となる。
【０００８】
図２に、従来の光多重通信方式における構成を示す。２７は波長の異なる複数の光送信器（λ１・・・λｎ）、２８は各々の信号光を多重する合波器、２９は伝送線路としての光ファイバ、３０は分散補償素子、３１は伝送されてきた多重信号を各波長の信号光に分ける分波器、３２は分波した各々の信号光を受信する複数の受信器（λ１・・・λｎ）を示している。合・分波器としてＡＷＧ、分散補償素子にＤＣＦが用いられている。
【０００９】
波長の異なる複数の光送信器（２７）（λ１・・・λｎ）からの各々の光信号は合波器（２８）により多重され、多重信号は光ファイバ中を伝搬する。受信側の多重信号は，光ファイバ（２９）の波長分散の影響により波形が広がって到着する。そのため、伝送中の分散を補償する分散補償素子（３０）を受信側に設置する。その後、受信側で分波器（３１）により多重信号を分波して、各々の信号光を複数の受信器（３２）で受信する。
【００１０】
【非特許文献１】応用物理  “分散補償光ファイバー増幅器の最近の開発状況”  第６４巻  第１号  ｐｐ２８−３１  １９９５
【００１１】
【非特許文献２】電子情報通信学会論文誌  “ファイバグレーティング技術とその動向”  Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｃ  Ｎｏ．１２  ｐｐ．１０６０−１０６８
【特許文献１】特開２００３−１９５０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
伝送線路に光ファイバを用いたＷＤＭ伝送システムにおいては、波長分散によるパルス波形劣化が問題となる。光パルスがファイバ中を伝搬する際に、光ファイバ中の分散により、光の波長の違いによって光の進む速度がわずかに異なるため、パルス幅が広がることが伝送特性劣化の要因となる。従来は主にＤＣＦを用いて補償を行ってきたが、ＤＣＦはコア径が小さく（１〜３μｍ）、挿入損失が大きい（約８ｄＢ）ために、受信側での信号レベルが小さくなる。そのため受信器が受信するのに必要な最小受信レベルよりも伝送後の信号レベルが小さくなってしまうため、長距離伝送を実現することが困難となる。そのため伝送中の光ファイバの波長分散を補償し、かつ分散補償素子の挿入損失を小さくすることが必要となる。また合・分波器も、従来はＡＷＧが用いられているが、挿入損失が大きい（約６ｄＢ）ために、受信側の信号レベルが小さくなり、長距離伝送を実現することが困難となる。
【００１３】
通常伝送線路として用いられているＳＭＦの損失を０．３ｄＢ／ｋｍとすると、挿入損失を３ｄＢ抑えることができれば、光通信システムにおいて伝送距離を１０ｋｍ延長することができる。
【００１４】
本発明の目的は、合・分波器にフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を、分散補償素子にフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を適用することにより、挿入損失を小さくし、光多重通信方式において、伝送距離を延長することである。またフォトニック結晶ファイバを用いることにより、集積化を可能にし、高機能な特性が実現可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため、本発明の光多重通信方式では、分散補償素子としてフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を、合・分波器としてフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いる。
【００１６】
分散補償素子として用いるフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）では、石英ガラスからなるコア領域の周りのクラッド領域に空孔を設ける。石英ガラスの屈折率は約１．４であり、クラッド領域に屈折率約１の空孔を設けることで、クラッドの屈折率を下げ、コアとクラッドの屈折率差を大きくして、従来のファイバでは実現できない大きい負分散の値（−１０００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下）を実現している。導波原理はＳＭＦと同じで、伝送する光信号を屈折率の高いコア領域中に閉じ込めて伝送するものである。ＤＣＦの場合は、コア径を１〜３μｍと小さくして、屈折率差をＳＭＦよりも大きくすることで負の分散値を実現している。ＤＣＦのコアとクラッドの屈折率差は約５％であるが、ホーリーファイバではクラッドの空孔の大きさや配置を変えることで、従来のファイバと比較して１０倍以上（最大で３５％）の屈折率差を実現できる。そのため大きな構造分散の値、つまり大きな負の分散値を実現できる。
【００１７】
従来、分散補償素子として用いられているＤＣＦの挿入損失は約８ｄＢである。分散補償素子にフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を用いることにより、デバイスがファイバ形状であるため、従来のファイバの接続技術が利用できる。また伝送線路であるシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）と同じコア径（８〜１０μｍ程度）とすることで、光ファイバとの挿入損失を約６ｄＢ小さくでき、損失を約２ｄＢに抑えることができる。
【００１８】
従来、合・分波器として用いられているＡＷＧの挿入損失は約６ｄＢであるが、デバイスがファイバ形状であるフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いることにより、挿入損失を約４ｄＢ小さくでき，損失を約２ｄＢに抑えることができる。本方式では，伝送線路ではなく光デバイスとして用いるために、ファイバ構造は、コアを空孔ではなく石英ガラスとする。
【００１９】
本発明が解決しようとするその他の課題、特徴および動作は、以下に図面を参照して行われる実施の形態から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、光多重通信方式において、分散補償素子と合波器、分波器にフォトニック結晶ファイバを用いることにより、従来の光多重通信方式の構成と比較して挿入損失を小さくできるため、受信側での信号レベルの劣化を抑えられ、伝送距離を伸ばすことが可能である。また分散補償素子と合波器を集積化することにより、小型化・高機能化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１に、本発明の光多重通信方式の第１の実施例を示すネットワーク構成を示す。２１は波長の異なる複数の光送信器（λ１・・・λｎ）、２２は各々の信号光を多重する合波器、２３は伝送線路である光ファイバ、２４は分散補償素子、２５は多重信号を波長の異なる複数の信号光に分ける分波器、２６は分波した各々の信号光を受信する複数の受信器（λ１・・・λｎ）を示している。
【００２３】
波長の異なる複数の光送信器（２１）（λ１・・・λｎ）からの各々の光信号は合波器（２２）により多重され、多重信号は光ファイバ中を伝搬する。受信側の多重信号は、光ファイバ（２３）の波長分散の影響により波形が広がって到着する。そのため、伝送中の分散を補償する分散補償素子（２４）を受信側に設置する。その後、受信側で分波器（２５）により多重信号を分波して、各々の信号光を複数の受信器（２６）で受信する。本光多重通信方式は，合波器（２２）と分波器（２５）と分散補償素子(２４)として、伝送線路と同じファイバ形状であり、伝送線路と同じコア径をもつフォトニック結晶ファイバを用いることで、光ファイバとの間の接続損失を抑える。これにより受信側での信号パワーの減衰を抑えて、伝送距離の延長を可能とする。
【実施例２】
【００２４】
図３に、本発明の光多重通信方式の他の実施例を示す。３３は波長の異なる複数の光送信器（λ１・・・λｎ）、３４は各々の信号光を多重する合波器、３５は伝送線路である光ファイバ、３６は多重信号を波長の異なる複数の信号光に分ける分波器、３７は各々の分波した信号光ごとに分散を補償する複数の分散補償素子（λ１・・・λｎ）、３８は各々の信号光を受信する複数の受信器（λ１・・・λｎ）を示している。
【００２５】
波長の異なる複数の光送信器（３３）（λ１・・・λｎ）からの各々の光信号は合波器（３４）により多重され、多重信号は光ファイバ中を伝搬する。受信側の信号は、光ファイバ（３５）の波長分散の影響により波形が広がって到着する。そのため、受信側で分波器(３６)により多重信号を分波した後、伝送中の分散を補償する複数の分散補償素子（３７）（λ１・・・λｎ）を受信側に設置する。その後、分波した各々の信号光を複数の受信器（３８）（λ１・・・λｎ）で受信する。
【００２６】
本光多重通信方式は，合波器（３４）と分波器（３６）と分散補償素子（３７）として、伝送線路であるＳＭＦと同じファイバ形状であり、伝送線路と同じコア径をもつフォトニック結晶ファイバを用いることで、光ファイバとの間の接続損失を抑える。これにより受信側での信号レベルの減衰を抑えて、伝送距離の延長を可能とする。
【００２７】
図４に、フォトニック結晶ファイバを用いたときの受信側の分散補償素子と分波器の構造を示す。５０はフォトニック結晶ファイバ（ホーリー型）を用いた分散補償素子、５１はコア領域、５２、５３はクラッド領域である。５４はフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いた分波器、５５はコア領域、５６、５７はクラッド領域である。分散補償素子（５０）と分波器（５４）のどちらのデバイスもファイバ形状であり、分散補償素子（５０）のコア領域（５１）と合波器（５４）のコア領域（５５）のコア径を等しく（８〜１０μｍ）、材質も同じ石英ガラスとすることで，受信側において分散補償素子（５０）と分波器（５４）の集積化が可能となる。
【００２８】
図５に、本方式で合波器、分波器として用いるフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）の断面構造を示す。６０はコア領域、６１はクラッド領域、６２はクラッド領域中の空孔を示す。コア領域（６０）は石英ガラスとし、コア径もＳＭＦと同じ８〜１０μｍとする。従来使用されているフォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）は、伝送線路としての使用を想定しており、低損失・低分散を実現するためにコア領域は空孔としている。しかし本方式では、合波器・分波器として用いるため、コア領域（６０）はＳＭＦと同じ材質の石英ガラスとし，ＳＭＦとの接続損失を抑えるためコア径はＳＭＦと同じ値とする。
【００２９】
図６に、フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）中の光の伝搬を示す。１０１は波長λｍの入力光、１０２は波長λｎの入力光、１０３はコア領域、１０４、１０５はクラッド領域、１０６、１０７は欠陥領域、１０８は波長λｍの出力光、１０９は波長λｎの出力光、１１０は受信側の分波器の構造を示す。クラッド領域（１０４）、(１０５)中に空孔（空孔径約１μｍ）を設け、屈折率の異なる周期的な結晶構造をつくることで、光が存在できないバンドギャップ帯（禁制帯）を生成し、コア領域（１０３）にのみ光信号を伝搬させる。バンドギャップ中に欠陥を作製し欠陥準位を設ければ、それに対応する波長の光を捕獲することができる。欠陥を列状にすれば，光導波路となり光信号を取り出す（分波する）ことが可能である。逆に対応する光信号を取り込む（合波する）ことも可能となる。そのためクラッド領域（１０４）（１０５）に欠陥領域（１０６）、（１０７）を導入する。波長λｍの入力光（１０１）と波長λｎの入力光（１０２）を、コア領域（１０３）中に伝搬させ、光が存在できないクラッド領域（１０４）、（１０５）に欠陥領域（１０６）（１０７）を設けることで、出力光λｍ（１０８）、出力光λｎ（１０９）を取り出すことができる。
【００３０】
本発明は、高速・大容量の光多重通信方式に関する発明である。特に長距離伝送が求められるアクセス系ネットワークにおいて有効である。合・分波器として、フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）を用いるが、コアの構成を空孔ではなく、伝送線路である通常の光ファイバと同じ石英ガラスとし、コア系も同じにすることで、分散補償素子や光ファイバとの接続損失を抑え、長距離伝送を可能とする。フォトニック結晶ファイバは、デバイスの形状はファイバ形であり、従来の光ファイバの接続技術を利用できるため，伝送線路であるＳＭＦとの接続も容易である。また損失も０．２ｄＢ／ｋｍ以下と低損失である。帯域幅は１．３〜１．５８μｍをカバーしているために特に多重伝送に適しており、通信波長帯である１．３μｍ帯、１．５μｍ帯をカバーできる。またフォトニック結晶ファイバを用いて、受信側で分波器と分散補償素子を集積化することにより、小型化、高機能化を実現できる。
【００３１】
レーザモジュールとリボンファイバを用いた伝送システムや、中継器を備えた数千ｋｍを越える長距離のＷＤＭ伝送システム、波長間隔の狭い（０．８ｎｍ以下）ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  ＷＤＭ）伝送システム、波長間隔の広い（２０〜３０ｎｍ）ＣＷＤＭ（Ｃｏａｒｓｅ  ＷＤＭ）伝送システムにも有効な方式である。光源として分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）、ファブリ・ペローレーザ（Ｆａｂｒｙ  Ｐｅｒｏｔ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｌａｓｅｒ）、伝送帯域として１．３μｍ、1．５５μｍ帯域、伝送線路として零分散シフトファイバ（ＤＳＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｓｉｆｔ  Ｆｉｂｅｒ）・ＳＭＦ・マルチモードファイバ（ＭＭＦ：Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）、リボンファイバにも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による多重光通信方式の実施例を示すシステム構成図。
【図２】従来の多重光通信方式を示すシステム構成図。
【図３】本発明による多重光通信方式の他の実施例を示すシステム構成図。
【図４】受信側の分散補償素子と分波器の構成図。
【図５】フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）の断面構造図。
【図６】フォトニック結晶ファイバ（バンドギャップ型）中の光の伝搬を表す図。
【符号の説明】
【００３３】
２１、２７、３３：送信器
２２、２８、３４：合波器
２３、２９、３５：光ファイバ
２４、３０、３７、５０：分散補償素子
２５、３１、３６、５４、１１０：分波器
２６、３２、３８：受信器
５１、５５、６０、１０３：コア領域
５２、５３、５６、５７、６１、１０４、１０５：クラッド領域
６２：空孔
１０１：入力光（波長λｍ）
１０２：入力光（波長λｎ）
１０６、１０７：クラッド領域中の欠陥
１０８：出力光（波長λｍ）
１０９：出力光（波長λｎ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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